Источники загрязнения объектов окружающей среды: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Кафедра экологии и природопользования

А.И. БАЙТЕЛОВА, С.В. ШАБАНОВА

ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ И ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

Рекомендовано к государственного профессионального университет”

изданию Редакционно-издательским советом образовательного учреждения высшего образования “Оренбургский государственный

Оренбург 2003

ББК 20. 18 я 7 Б 18 УДК 504. 06 (07) Рецензент доцент, кандидат технических наук Т.Ф. Тарасова

Байтелова А.И., Шабанова С.В. Б 18 Источники загрязнения объектов окружающей среды: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003.-47с.

Лабораторный практикум состоит из 4 лабораторных работ по методам оценки вредного влияния антропогенных факторов на окружающую среду. Каждая работа включает теоретическое изложение материала, описание методики проведения опытов и контрольные вопросы для самоподготовки. Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по специальной дисциплине «источники загрязнения объектов окружающей среды» для студентов специальности 320700 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

ББК 20. 18 я 7

© Байтелова А.И., Шабанова С.В., 2003 © ГОУ ОГУ, 2003

Введение Рост численности населения на планете и интенсификация человеческой деятельности в связи с научно-технической революцией неминуемо приводят к резкому росту антропогенного влияния на природу. Оно выражается в загрязнении биосферы выбросами, сбросами, твердыми отходами промышленности. Многие загрязнения с осадками из атмосферы попадают в воду и почву и отравляют их. Если атмосфера и водная среда могут самоочищаться, то почва таким свойством не обладает: токсичные вещества постоянно накапливаются в ней и приводят к изменению ее состава, которое соответственно вызывает изменения в растительном и животном мире, что не может не сказаться на жизнедеятельности человека. Загрязнение атмосферы вредными веществами вызывает множество неизлечимых заболеваний, являющихся характерной особенностью современного общества. Для того, чтобы препятствовать этому процессу и контролировать его, необходимо уметь измерять и оценивать вредное влияние антропогенного фактора на окружающую среду.

1 Лабораторная работа № 1. Комплексная оценка качества атмосферы промышленного предприятия и города Цель работы Овладение методикой комплексной оценки качества атмосферы промышленного предприятия и города. 1.1 Общие положения В настоящее время известно немало различных подходов и показателей, применяемых для оценки загрязненности атмосферного воздуха. Для оценки степени загрязнения атмосферы, средние и максимальные концентрации веществ относят к величине средней (максимальной) концентрации вещества – токсиканта или к санитарно– гигиеническому нормативу, например, к предельно допустимой концентрации (ПДК). Нормированные характеристики загрязнения атмосферы иногда называют индексом загрязнения атмосферы ИЗА, который является комплексной оценкой влияния вредных веществ на окружающую среду. Такие характеристики не дают полного представления о характере загрязнения атмосферы городов, а также не учитывают суммарного загрязнения атмосферного воздуха, класса опасности вредных веществ, характера комбинированного действия вредных примесей, совместно присутствующих в воздухе. Для оценки степени воздействия крупных и мелких предприятий на атмосферу города используют категорию опасности предприятия (КОП), которая оценивает объем воздуха, необходимый для разбавления выбросов (Мi) i-го вещества над территорией предприятия до уровня ПДКi. В свою очередь, качество атмосферы города можно оценить через категорию опасности города (КОГ), физический смысл которой заключается в некотором условном объеме загрязненного воздуха от всех предприятий города, который разбавлен до ПДК и приведен к одной токсичности. 1.2 Расчет загрязнения промышленных предприятий

атмосферы

выбросами

от

1.2.1 Расчет категорий опасности предприятия и города Категория опасности предприятия (КОП) используется для характеристики изменений качества атмосферы через выбросы, осуществляемые стационарными источниками, с учетом их токсичности. КОП определяется через массовые характеристики выбросов в атмосферу:

m M i 

  КОП = ∑ КОВi = ∑  ПДК i i =1 i =1 m

αi

,

(1.1)

где m–количество загрязняющих веществ, выбрасываемых предприятием; КОВi – категория опасности i-го вещества, м3/с; M i –масса выбросов i-ой примеси в атмосферу, мг/с; ПДК i –среднесуточная ПДК i-го вещества в атмосфере населенного пункта, мг/м3; α i –безразмерная константа, позволяющая соотнести степень вредности i-го вещества с вредностью диоксида серы (таблица 1.1). Таблица 1.1 - Значения коэффициентаα i для загрязняющих веществ разных классов опасности Класс опасности 1 2 3 4 вещества αi 1,7 1,3 1,0 0,9 Значения КОП рассчитывают при условии, когда

Mi > 1 . При ПДК i

Mi < 1 значения КОП не рассчитываются и приравниваются к нулю. ПДК i Для расчета КОП при отсутствии ПДК сс используют значения ПДК мр , ОБУВ или уменьшенные в 10 раз значения предельно

допустимых концентраций рабочей зоны. Для веществ, по которым отсутствует информация о ПДК или ОБУВ, значения КОП приравнивают к массе выбросов данных веществ. Предприятия по величине категории опасности делят в соответствии с граничными условиями, приведенными в таблице 1.2. Таблица 1.2 - Граничные условия для деления предприятий по категории опасности Категория опасности Значения КОП предприятия I ≥ 31,7⋅106 II ≥ 31,7⋅104 III ≥ 31,7⋅103 IV < 31,7⋅103

1.3 Форма отчета о выполненной работе Отчет о выполненной работе оформляется в виде реферата с титульным листом. Содержание отчета включает в себя исходное задание (из приложения А), формулы и результаты расчетов. Результаты включают в себя: 1) расчет КОП, таблицу с результатами по ранжированию выбросов предприятий по КОВ и массе выбросов; Таблица 1.3 - Результаты ранжирования загрязняющих веществ по массе выбросов Масса выбросов Вещество Ранг Предприятие т/год % Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Пыль Всего Таблица 1.4 - Результаты ранжирования загрязняющих веществ по категории опасности Характеристика выбросов в атмосферу Показатель Значения КОВ Ранг 3 % м /с Суммарный по предприятию Диоксид азота Диоксид серы Пыль Оксид углерода 2) выводы. 1.4 Контрольные вопросы 1. Каковы основные источники загрязнения воздуха, их ранжирование? 2. Дать определение понятиям: загрязнение и мониторинг. 3. Каковы основные эколого-экономические последствия загрязнения атмосферы оксидами азота и серы? 4. Что такое комплексная оценка качества атмосферного воздуха? 5. Какие существуют критерии и параметры для оценки качества воздушной среды? Чем отличаются критерии от параметров? 6. Какова основная тенденция загрязнения атмосферы оксидами азота? 7. Каковы основные методы уменьшения масштабов загрязнения атмосферы оксидами азота, серы?

8. Дать определение комплексным показателям качества атмосферы (КОВ и КОП). 1.5 Пример расчета Исходные данные: Таблица 1.5- Количество выбросов загрязняющих веществ Масса выбросов Вещество Ранг Предприятие т/год % Диоксид азота 3,521 16,46 3 Диоксид серы 1,136 5,31 4 Комбикормовый Оксид углерода 12,643 59,1 1 завод Пыль 4,092 19,13 2 Всего 21,392 100 Таблица 1.6 - ПДК сс загрязнителей

и класс опасности для используемых ПДК сс , мг/м3 0,04 0,008 0,05 0,15 3

Показатель Диоксид азота Сероводород Диоксид серы Пыль Оксид углерода Выполнение: 1, 3

КОВNO2

 3,521 ⋅ 31,7  =   0,04 

КОВSO2

 1,136 ⋅ 31,7  =   0,05 

КОВпыль

 4,092 ⋅ 31,7  =  0,15  

= 30700 = 3,07 ⋅ 10 4 м 3 / с

1, 0

= 720,2 м 3 / с 1, 0

КОВСО

 12,643 ⋅ 31,7  =  3  

= 866,7 м 3 / с 0,9

= 81,7 м3 / с

Расчет категории опасности предприятия: КОП = 2,9 ⋅ 104 + 720,2 + 866,7 + 81,7 = 3,07 ⋅ 104 м3 / с

Класс опасности 2 2 3 3 4

Таблица 1.7 - Ранжирование выбросов по категории опасности Показатель

Характеристика выбросов в атмосферу Значения КОВ Ранг 3 % м /с 4 3,07·10 100

Суммарный по предприятию Диоксид азота 2,9·104 94,56 1 Диоксид серы 720,2 2,35 3 Пыль 866,7 2,82 2 Оксид углерода 81,7 0,27 4 Вывод: приоритетным загрязняющим веществом по массе выбросов на комбикормовом заводе являются основные продукты неполного сгорания топлива - угарный газ – 59,1 % и диоксид азота - 16,5%, а также пыль -19,1 %. Приоритетным загрязняющим веществом по категории опасности вещества на комбикормовом заводе является наиболее токсичное соединение - диоксид азота (94,56 %). Затем следуют вещества третьего класса опасности: пыль (2,82 %) и диоксид серы (2,35 %). На последнем месте находится соединение четвертого класса опасности – оксид углерода (0,27 %). То есть, приоритетным загрязняющим веществом на комбикормовом заводе по массе выбросов является оксид углерода, а по категории опасности вещества – диоксид азота. Комбикормовый завод– предприятие IV категории опасности.

2 Лабораторная работа №2. Методика расчета выбросов оксида углерода, углеводорода, оксидов азота, серы, сажи и свинца от автотранспорта Цель работы Овладение методикой расчета выброса вредных веществ от автотранспорта. 2.1 Общие положения Эксплуатация автомобилей связана со значительным загрязнением окружающей среды отработавшими газами. Доля вредных компонентов отработавших газов в общем объеме атмосферных загрязнений газами в различных регионах России достигает 90 %. Особенно негативное воздействие автомобильного транспорта проявляется в крупных городах. Вклад автотранспорта в г. Оренбурге от суммарного выброса загрязняющих веществ составил 46,2 %. По сравнению с 1995 годом его выбросы за счет увеличения пробега автобусов (в 1,43 раза) и легковых

автомашин (в 1,18 раза) увеличились на 5,8 тыс. т. В г. Орске - 7,2 %, Новотроицке - 3,5 %, Кувандыке - 47,8 %. В состав отработавших газов входят токсичные и поэтому наиболее опасные для здоровья человека: окись углерода, окислы (окись и двуокись) азота, углеводороды, альдегиды (формальдегид и акролеин), соединения серы, ядовитый свинец и его соединения, сажа и канцерогенное вещество бенз(а)пирен. Транспортные источники загрязнения атмосферы обладают рядом специфических особенностей, учет которых необходим на любом уровне рассмотрения проблемы. По существующей классификации их можно отнести к линейным наземным непрерывно действующим источникам с переменной мощностью выброса, расположенных непосредственно в селитебных районах города. Особую опасность для окружающей среды эти источники создают тем, что выброс осуществляется в приземном слое воздуха на очень небольшой высоте (менее одного метра). Наиболее опасными для здоровья человека в выбросах автомобильного транспорта являются вещества канцерогенного характера. К ним относятся свинец, некоторые полициклические углеводороды (бенз(а)пирен). Свинец образуется при сгорании тетраэтилсвинца (ТЭС) в двигателях внутреннего сгорания, который используется как антидетонатор для повышения октанового числа бензина. Максимальное содержание в бензине составляет 0,25 г/кг (0,37 г/л). Если легкие фракции загрязнителей могут перемещаться на дальние расстояния, рассеиваясь на больших площадях, то соединения свинца выпадают локально. Таким образом, в результате движения автотранспорта происходит загрязнение свинцом почвы и растительности придорожной полосы. Многочисленные исследования показывают, что до 70 % свинца накапливается в верхнем 10-сантиметровом слое почвы в полосе до 60 м от полотна дороги. По мере удаления количество свинца в почве постепенно снижается, хотя и прослеживается на расстоянии до 300 м. от полотна дороги. При этом распространение свинца зависит от наличия и плотности зеленных насаждений - чем она выше, тем меньше его в почве, а также наличия различных препятствий. Фоновое содержание свинца в воздухе колеблется от 10 до 60 нг/м3, а в почве вдоль дорог доходит до 10 мг/кг. В то же время предел допустимой концентрации (ПДК) свинца в воздухе населенных пунктов установлен 0,007 мг/м3. Токсичные вещества попадают в атмосферу не только в составе отработавших газов. Токсичными являются и сами углеводородные топлива. Особенно бензины, точнее их пары, выходящие из отверстий топливных баков и карбюратора, а также картерные газы двигателя.

Предельно допустимая среднесуточная концентрация паров бензина - 1,5 мг/м3. Однако автотранспорт является еще и мощным источником выделения аэрозолей, которые формируются по двум разным механизмам: -первая часть аэрозолей поступает в атмосферу города в результате неполного сгорания топлива в двигателях (особенно в дизелях) транспортных средств. При этом выделяется тонкодисперсный аэрозоль сажи. В составе сажи, выбрасываемой двигателем, есть и полициклические углеводороды, обладающие канцерогенным и мутагенным действием (около 75 % мутагенов адсорбируются именно на саже), что сильно повышает ее агрессивность; -вторая часть аэрозоля формируется в результате взаимодействия шин автомобиля и воздушного потока, создаваемого им, с поверхностью дороги. Таким образом, автомобильные дороги крупного города являются мощным источником как первичного, так и вторичного выделения веществ загрязнителей в атмосферу. 2.2 Расчет выбросов от автомобильного транспорта Массовый выброс загрязняющих веществ автомобильным транспортом при движении по данной улице Мij рассчитывается по формуле:

M ij = mij ⋅ LNобщ 10 −6

(2.1)

где mij – приведенный пробеговый выброс г/км mij = mi ⋅ Kri ⋅ Kti

(2.2)

mi – пробеговый выброс i-го загрязняющего вещества транспортным

средством, г/км; K ri – коэффициент, учитывающий изменение выбросов загрязняющих веществ при движении по территории населенных пунктов; K ti – коэффициент, учитывающий влияние технического состояния автомобилей на массовый выброс i-го загрязняющего; N Lобщ – суммарный годовой пробег автомобилей по данной улице, который является функцией времени, интенсивности и скорости движения АТС, км. Суммарный следующей схеме

сезонный

пробег

по

улице

рассчитывается

по

L где

=

N общ

n

∑ι L

N сез

=

n

∑ι υ

авт

N t g N сез

(2.3)

vавт - скорость движения транспортных средств; N N сез – число автомобилей, прошедших по данной улице за сезон;

t g – время движения автотранспортного средства по

данной улице, которое рассчитывается по формуле

tg =

L

υ авт

(2.4)

где L – длина улицы, км. Исходя из уравнений (2.3) и (2.4), суммарный годовой пробег автомобилей будет рассчитываться по формуле N общ

L

n

N = ∑ L ⋅N сез

ι

(2.5)

Число автомобилей, прошедших по данной улице за сезон, определяется суммированием N Nсез = t ⋅ (Nу + Nд + Nв + Nн ) ⋅ n

(2.6)

t – время, 6 часов n – количество дней в сезоне

Значения приведенного пробегового выброса i-го загрязняющего вещества данным типом транспортных средств приведен в таблице 2.1.

Легковые

Таблица 2.1 Приведенный пробеговый выброс для различных видов автотранспорта. Пробеговый Приведенный Коэффициенты Тип Примеси выброс, пробеговый автотранспорта Kri Kтi Kni г/км выброс, г/км 1 2 3 4 5 7 6 CO 13,0 0,87 1,75 19,8 NO2 1,5 0,94 1,0 1,4 CH 2,6 0,92 1,48 3,5 SO2 0,076 1,15 1,15 0,1 Pb 0,025 1,15 1,15 0,03

Автобусы дизельные

Автобусы Грузовые бензиновые дизельные

Грузовые бензиновые

Продолжение таблицы 2.1. 1 2 3 4 CO 52,6 0,89 NO2 5,1 0,79 CH 4,7 0,85 SO2 0,16 1,15 Pb 0,023 1,15 CO 2,8 0,95 NO2 8,2 0,92 CH 1,1 0,93 SO2 0,96 1,15 Сажа 0,5 0,8 CO 67,1 0,89 NO2 9,9 0,79 CH 5,0 0,85 SO2 0,25 1,15 Pb 0,037 1,15 CO 4,5 0,95 NO2 9,1 0,92 CH 1,4 0,93 SO2 0,9 1,15 0,8 Сажа 0,8 Пример расчета пробега легкового Салмышской (зима) приведен ниже

LNзим

5 6 7 2,0 0,68 63,7 1,0 0,67 2,7 1,83 0,87 6,4 1,15 1,19 0,3 1,15 1,19 0,04 1,6 0,68 2,9 1,0 0,82 6,2 2,1 0,76 1,6 1,15 1,2 1,5 1,9 0,54 0,4 1,4 0,9 75,2 1,4 0,89 9,7 1,4 0,96 5,7 1,1 1,3 0,4 1,1 1,3 0,1 1,4 0,89 5,3 1,4 0,93 10,9 1,4 0,92 1,7 1,1 1,3 1,5 1,4 0,75 0,7 автотранспорта для улицы

= 6 ч.×1,65км×(150+108+135+6)×91=359459 км

Количество выбросов угарного газа за сезон составляет

М СО = 359459 км×19,8 г/км×10-6 = 7,1 т/сезон 2.3 Расчет категории опасности автомобильного транспорта Категорию опасности автомобильного транспорта рассчитывают по аналогии с категорией опасности предприятия  Mi   КОА = ∑  1  ПДК i  n

ai

(2.7)

Для расчета КОА при отсутствии ПДКсс используют значения ПДКмр, ОБУВ или уменьшенные в 10 раз значения предельно допустимой концентрации для рабочей зоны.

2.4 Расчет категории опасности дороги Взаимодействие автомобиля и дороги сопровождается выбросами пыли (Мn), а пылеобразование на дорогах можно количественно описать через категорию опасности дороги (КОД), которая будет связана с количеством выбросов уравнением КОД =

Мп ПДК

= п

СV у ПДК п

(2.8)

где С – концентрация пыли в воздухе улицы, V у – объем воздуха, в котором рассеяна пыль. Количество пыли, выбрасываемое N-ым количеством автомобилей ι-го класса, проходящих над поверхностью SА рассчитывается по формуле

М ау = ψ i ⋅ S Аi ⋅ Ni где

(2.9) 2

S А - площадь проекции автомобиля на поверхность дороги, м ; 2

ψ - сдуваемость пыли, мг/(см с); N i -интенсивность движения автомобилей ι-го класса.

Значения удельной сдуваемости для различных транспортных средств представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 Значения удельной сдуваемости для различных транспортных средств Тип АТС Значения удельной сдуваемости, мг/с Легковой 240 Грузовой 516 Автобусы 541 Объем воздуха, в котором распределяется пыль, рассчитывается через постоянный объем атмосферы (Vу0), определяемый площадью улицы (S) и высотой приземного слоя (h), и его прирост (∆V), создаваемый диффузионными процессами и определяется по формуле

V у = V0у + ∆V = Sh + ∆V

(2.10)

Для случая, когда в атмосфере наблюдаются застойные явления (υ=0-3 м/с) прирост определяется через увеличение высоты приземного слоя

∆V = [2(L ⋅ h) + S ] ⋅ vдиф ⋅ t

Вероятность таких погодных условий составляет 45%.

(2.11)

2.5 Расчет категории опасности улицы В качестве комплексного показателя, характеризующего качество атмосферы на улице любого назначения используется категория опасности улицы (КОУ), которую следует определять через опасность (выбросы) автомобиля и качественные характеристики автомобильной дороги, то есть

КОУ = КОА + КОД

(2.12)

2.6 Форма отчета о выполненной работе Содержание отчета включает в себя исходное задание, формулы и результаты расчетов. Результаты включают в себя: 1) расчет массы загрязняющих веществ, выбрасываемых автомобильным транспортом на данной улице, таблицу по суммарному выбросу вредных веществ (таблица 2.3);

Название улицы

Таблица 2.3 Количество загрязняющих веществ, выбрасываемое автотранспортом на данной улице Период исследования (зима, весна, лето, осень) Выбросы разных веществ по сезонам, Суммарный т/сезон выброс, Тип т/сезон автомобиля СО СН NOX SO2 Pb Сажа Легковые Грузовые Автобусы Всего 2) расчет КОА, таблицу с результатами КОВ для различного вида транспорта (таблица 2.4);

Название улицы

Таблица 2.4 Значения категории опасности вещества для различного вида автотранспорта Период исследования (зима, весна, лето, осень) Тип автомобиля Легковые Грузовые Автобусы Всего 3) выводы.

Значения КОВ, м3/с СО

СН

NOX

SO2

КОА, м3/с Pb

Сажа

2.7 Контрольные вопросы 1.) Воздействие автотранспорта на атмосферу города Оренбурга. 2.) Влияние выбросов от автотранспорта на здоровье людей. 3.) Распространение отработавших газов в зоне дороги. 4.) Пылеобразование на автомобильных дорогах. 5.) Предупреждение пылеобразования на автомобильных дорогах. 6.) Проблема загрязнения атмосферного воздуха и почвы соединениями свинца, входящих в состав отработавших газов. 7.) Классификация дорожных загрязнений по источникам их образования. 8.) Оценка уровня загрязнения атмосферы автотранспортом. 9.) Проблема загрязнения почвы выбросами от автотранспорта. 10.)Перспективы снижения загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом.

3 Лабораторная работа №3. Методика расчета категории опасности исследуемого территориально производственного комплекса Категория опасности территориально-производственного комплекса (КОГ) оценивается как сумма категорий опасности предприятий (КОП) и улиц (КОУ), расположенных на одной территории: n

n

i =1

i =1

КОГ = ∑ КОП i + ∑ КОУ i ,

(3.1)

3.1 Форма отчета о выполненной работе Содержание отчета включает в себя исходное задание, формулы и результаты расчетов. Результаты включают в себя: 1)расчет категории опасности территориально-производственного комплекса; 2) выводы. 3.2 Контрольные вопросы 1) Дать определение комплексным показателям качества атмосферы (КОГ). 2) Критерии деления предприятий по категории опасности. 3) Дать определение естественных и антропогенных источников загрязнения окружающей среды. 4) Классификация источников загрязнения воздушного бассейна по дальности распространения.

5) Классификация источников загрязнения воздушного бассейна по геометрической форме 6) Классификация источников загрязнения воздушного бассейна по режиму работы

4 Лабораторная работа №4. Методика расчета критерия качества атмосферы Цель работы Овладение методикой промышленного города

расчета

критерия

качества

атмосферы

4.1 Общие положения Вредные вещества, попадая в атмосферу, рассеиваются или вымываются из нее осадками. При постоянном режиме выбросов вредных веществ, колебания уровней загрязнения атмосферного воздуха наблюдаются под влиянием условий переноса и рассеяния примесей в атмосфере. Поэтому снижение концентраций примесей на исследуемой территории в целом зависит от определенных сочетаний метеорологических факторов. Чем точнее установлено это сочетание, тем с большей надежностью будет осуществляться прогноз возможного накопления примесей в атмосфере. Так как формирование уровня загрязнения атмосферы примесями в значительной степени связано с условиями вертикального и горизонтального переноса и рассеяния примесей, качество атмосферы изучаемой территории может быть представлено в виде функции скоростей воздушных потоков. В нашем случае в выбросах от низких и неорганизованных источников увеличение концентрации примеси наблюдается при слабой ветровой активности (U<3 м/с) за счет накопления примесей в приземном слое атмосферы. Следовательно, резкое увеличение концентрации примеси в атмосфере промышленного центра может происходить при скоростях ветра до 4 м/с, когда наблюдаются застойные явления в воздухе. В случае выпадения осадков в системе «атмосфера – территория» в расчет следует включить дополнительный фактор – количество осадков в виде дождя и снега. Любой источник загрязнения может и должен рассматриваться в качестве системы типа: человек–атмосфера–производство. Причем объединяющим началом в этой системе является территория, а природной средой, через которую осуществляется взаимодействие в системе, служит атмосфера. Следовательно, нами должно рассматриваться взаимодействие в системе типа: приземный слой атмосферы – производство – человек. Атмосфера выступает средой, через которую примесь от источника перемещается к человеку, в качестве источника примеси выступает

производство, человек - в качестве компоненты, подвергающейся воздействию этой примеси. Данную систему следует рассматривать как неравновесную систему, в которой есть пространство с избыточным содержанием i-той примеси и есть пространство с ее недостатком. Следовательно, для этой системы будет присущ диффузионный процесс, который можно охарактеризовать потоком массы вещества. Если смоделировать рассматриваемую систему, то основными элементами модели можно принять: 1. генератор (источник) примесей– совокупность предприятий и улиц, выбрасывающих в атмосферу n-ое количество примесей. 2. среда, в которой наблюдается диффузия примеси– атмосфера. Под атмосферой нами подразумевается ее приземный слой высотой 100 м . 3. механизм распределения примеси от источника по территории определяется метеоусловиями. Совокупность предприятий и улиц, как источник (генератор) примеси, можно описать через поток массы генерируемого вещества

mi M = . t i

(4.1)

В производственных условиях М i называется количеством выбросов. Для характеристики диффузионного процесса, интенсивность которого определяет состояние системы с рассеиванием или накоплением примеси на территории завода или на территории прилегающей к заводу, используем законы молекулярной и конвективной диффузии, которые позволяют оценить поток диффузии для i-ой примеси i J диф = С i ⋅ q − Di gradCi

(4.2)

где C i –концентрация i-й примеси, мг/м3; 3 q = U t –объемная скорость перемещения примеси, м /с. Полный поток вещества слагается из конвективного ( C ⋅ q ) и диффузионного ( Di gradC i ) потоков. Причем диффузионный поток в атмосфере должен быть пропорционален градиенту концентрации и направлен в сторону убыли концентрации примеси в атмосфере (знак минус указывает именно на это). Если же примесь находится в движущемся потоке, то поток увлекает ее своим движением и создает конвективное перемещение вещества в пространстве (второй член в уравнении (4.2)) Уравнение (4.1) является количественным описанием технологического процесса. А уравнение (4.2) является уравнением,

описывающим процесс накопления (рассеивания) примеси в воздушной среде. Для уравнения (4.2) могут быть получены точные решения лишь в простых геометрических условиях. Поэтому для его решения следует знать граничные условия, которые задаются, как правило, концентрацией примеси у источника выбросов и вдали от него. Первым граничным условием следует считать условие, когда концентрация примеси вдали от источника выбросов стремится к нулю ( С → 0 ). Следовательно, в рассматриваемой системе возникает ограничение в перераспределении примеси, а уравнение (4.2) примет вид

J полн = J диф = − D i gradC i ,

(4.3)

Уравнение (4.3) показывает, что поток вещества лимитируется молекулярной диффузией. Вторым граничным условием может быть условие, когда скорость генерирования примеси у источника и вдали от него будет оставаться одинаковой ( С = С равн ), а уравнение (4.2) примет вид

J полн = J конв = C i ⋅ q ,

(4.4)

То есть полный поток примеси в этом случае лимитируется конвекцией. Третьим граничным условием следует считать такое условие, при котором примесь выводится из атмосферы осадками и поэтому ее концентрация вдали от источника выбросов стремится к заданной концентрации ( С >> С равн ). В системе «атмосфера – территория» возникает ограничение в перераспределении примеси, а уравнение (4.2) примет вид

J полн = J вымыв = ∆ C i ⋅ q ,

(4.5)

где ∆С i -снижение концентрации примеси в атмосфере в процессе выпадения осадков. Исходя из уравнений (4.1) и (4.2) для систем человек – совокупность предприятий и улица – атмосфера можно получить критерий качества атмосферы ( К атм ), который определяется отношением скорости генерирования примеси в атмосферу к скорости ее рассеивания (накопления по территории) и через категорию опасности предприятий и улиц включает в себя количество выбросов от источника, скорость ветра и его направление, интенсивность атмосферных осадков, токсичность примеси и ее класс опасности, а через категорию опасности территории – емкость среды по примеси. Определение критерия качества атмосферы проводили по формуле

К атм =

КОП , КОТ

(4.6)

где КОТ – категория опасности территории, м3/с. Из определения категории опасности территории следует, что изменение емкости приземного слоя атмосферы территории возможно двумя путями: 1) через увеличение во времени объема среды, в которой распределяется примесь (рассеивание); 2) через изменение приведенной концентрации примеси. Причем, каждому состоянию системы отвечает только одно значение критерия качества атмосферы. Этот факт можно использовать для оценки и прогноза качества атмосферы территории в различных метеорологических ситуациях. Критерий качества атмосферы можно представить следующим образом

Mi Катм = Jполн ,

(4.7)

В граничных условиях для молекулярной диффузии и конвекции уравнение (4.7) будет иметь различный вид

К атм =

К атм =

Mi J конв

,

Mi , J диф

(4.8)

(4.9)

Для привязки уравнения (4.7) к принятым в промышленной экологии показателям, умножим его числитель и знаменатель на ПДК, просуммируем по n-му количеству примеси и возведем в степень α, тогда уравнение (4.7) примет вид:

 M i К атм = ∑  i=1 ПДКi n

α α  i nJ  i КОП  /  полн  = ,  ∑ ПДК  КОТ i = 1 i   

(4.10)

За категорию опасности территории нами принято выражение вида:

i  J полн КОТ = ∑   i =1 ПДК i n

α

 i  ,  

(4.11)

которое для конвективной диффузии трансформируется в следующее выражение: α

 C i ⋅ Vc  i  КОТ = ∑   ПДК ⋅ t  , i  i=1 n

(4.12)

а для молекулярной диффузии примет вид: α

n  D i gradC i  i

КОТ = − ∑  i=1

ПДКi

 ,  

(4.13)

Следовательно, категория опасности территории может быть использована в качестве основного параметра, способного прогнозировать санитарно–гигиеническое состояние воздушной среды исследуемой территории на основе существующих данных об источниках загрязнения среды и о метеоусловиях в ней. В настоящее время однозначно установлено, что перенос и распространение примеси в атмосферном воздухе зависит, в первую очередь, от скорости движения воздушных потоков (ветра). То есть от объема воздуха, в котором перераспределена примесь. При этом, распределение примеси внутри объема осуществляется по законам конвективной диффузии. При расчете интенсивности загрязнения атмосферы изучаемой территории основной проблемой становится оценка этого объема воздуха. В качестве модели приземного слоя атмосферы рассмотрен замкнутый объем с подвижными стенками, который должен изменяться и описываться уравнением: Vci =V0±∆V,

(4.14)

где V0–постоянный объем приземного слоя атмосферы изучаемой территории; ∆V–прирост объема за счет диффузии. Знак “плюс” в выражении (4.14) ставится тогда, когда объем воздушной среды, в котором распределяются загрязняющие примеси, нарастает за счет восходящих или горизонтальных, воздушных потоков, а знак “минус”–когда объем воздуха уменьшается в результате температурных инверсий.

Постоянный объем приземного слоя атмосферы исследуемой территории определяется площадью этой территории и высотой ее приземного слоя, то есть может быть рассчитан по формуле: V0 = L ⋅ Е ⋅ H

(4.15)

где L и E–ширина и длина территории , м; H=100 м–высота приземного слоя атмосферы. С некоторым приближением (площадь территории имеет форму круга, промышленные предприятия равномерно распределены по данной территории ) можно принять V0 = π ⋅ L2 ⋅ H = S ⋅ Н , г

(4.16)

где Sг–площадь застройки территории. Таким образом, анализ механизмов диффузии примеси в приземном слое исследуемой территории показывает следующее: 1) интенсивность загрязнения атмосферного воздуха данной территории должна определяться механизмом рассеивания примесей. Наиболее сильное ее загрязнение будет иметь место для случая, когда рассеивание примесей осуществляется по механизму молекулярной диффузии (застойные явления в воздушной среде). Следовательно, при изучении качества атмосферы следует обратить внимание на проветриваемость территории, то есть на изучение зависимостей типа: К=f(U); 2) высота приземного слоя (H) зависит от температуры воздуха на разных высотах (температурные инверсии) и от скорости и характера движения воздушных потоков, то есть Н=f(U, Т, Р) и при их неблагоприятном сочетании может стремиться к малым величинам (10–50 м). Кроме того, высота приземного слоя является функцией рельефа местности; 3) параметр L характеризует длину (ширину) территории, который перпендикулярен к направлению ветра. Следовательно, зная господствующую розу ветров можно вносить поправки в пространственное размещение предприятий–загрязнителей на данной территории; 4) критерий качества атмосферы представленный уравнениями (4.6), включает в себя сочетание наблюдаемых (или ожидаемых) метеорологических параметров в определенный период времени (час, сутки), рельефных характеристик, а также количество выбрасываемых вредных веществ в воздушный бассейн территории. Поэтому может использоваться при прогнозировании возможных изменений уровня загрязнения атмосферы, как на короткие временные интервалы, так и на длительное время.

4.2 Расчет критерия качества атмосферы В случае, когда на территории исследуемого ТПК стоит ясная погода, прогноз качества атмосферного воздуха следует проводить с учетом механизмов рассеивания примеси в атмосфере. То есть, изменение опасности территории происходит за счет диффузии примеси в объёме среды во времени (молекулярная диффузия) или за счёт конвекции примеси со средой в пространстве. Молекулярную диффузию (штиль), в свою очередь, мы разбиваем на две составляющие: инверсионное движение воздушных масс ( v → 0 м с ), как наиболее неблагоприятное погодное условие, и перемещение воздушных масс в результате температурных стратификаций ( v = 0,1 − 1 м с ). Так как, ветреная погода является наиболее вероятной и благоприятной ситуацией, в первую очередь имеет смысл рассмотреть рассеивание примеси в воздушном пространстве города при конвективной диффузии. Для оценки способности исследуемой территории к рассеиванию примеси необходимо определить категорию опасности территории, в которую заложен определённый экологический смысл – это ёмкость приземного слоя атмосферы данной территории по примесям, рассчитанная с учётом кинетики диффузии. Для ветреной погоды (конвективная диффузия) категория опасности территории, в которой рассеивается примесь при стандартных экологических условиях (ИЗА=1), рассчитывается по формуле (4.17), которая учитывает скорость ветра: n

n

КОТ = ∑ q = ∑ i =1

α

i =1

n  Vc   [ 0,5πRГ2 + (2RГ + vдt )⋅ vвt ] ⋅ hв  =   ∑  t  t  i =1 

α

α

(4.17)

где q a -объёмная скорость перемещения примеси, м3/с; 3 Vc -объём воздушной среды, в котором распределяются примеси, м ; RГ - радиус территории, м; v д - скорость диффузии, м/с; t - время протекания процесса, с; v в - скорость ветра, м/с; hв - высота приземного слоя атмосферы, м; α - степень, соответствующая классу опасности примесей, присутствующих в атмосфере исследуемой территории. Для штиля (молекулярная диффузия) категория опасности территории рассчитывается по формуле (4.18), которая учитывает его продолжительность: n

КОТ = ∑ q i =1

α

α n π (RГ + vдt )2 ⋅ hв Vc   = ∑ =  ∑ t t   i =1 i =1  n

α

  , 

(4.18)

где vд - скорость диффузии, м/с; В случае, когда примесь вымывается из атмосферы осадками, категория опасности территории определяется по формуле α

V  α КОТ = qкр ⋅ ∑ ∆ИЗАi =  C  ⋅ ( t  i =1  кр  n

n

∑η i =1

i

⋅ ИЗА0i ) ,

(4.19)

где q a -объёмная скорость вымывания примеси атмосферными осадками, м3/с; ∆ИЗАi -изменение индивидуального индекса загрязнения атмосферного воздуха в результате выпадения осадков. В данном случае категория опасности территории является произведением объемной скорости вымывания примеси в соответствующей степени на изменение суммарного индекса загрязнения атмосферы. Оба множителя являются функциями интенсивности осадков. Категория опасности территории в этом случае рассчитывается по приоритетной примеси. Таким образом, категория опасности территории должна использоваться в качестве второго основного параметра, способного дать прогнозную оценку качества воздушной среды исследуемой территории на основе существующих данных об источниках загрязнения среды и о метеоусловиях в ней. Определение критерия качества атмосферы проводится по формуле

К атм =

КОГ , КОТ

(4.20)

где КОГ -категория опасности города, м3/с. По изменениям критерия качества атмосферы нами проводится прогноз и картирование территории города по экологическому благополучию городской среды. Это можно сделать при использовании ограничений, предложенных во “Временной методике отнесения территории к зонам экологического неблагополучия” (таблица 4.1).

Таблица 4.1 – Значение критерия качества атмосферы для территории, прилегающей к источнику. Величина критерия качества атмосферы Характеристика атмосферного воздуха минимальная максимальная на территории 1. Условно чистая <0,3 2. Напряженная 0,3 1 3.Критически 1 4 нагруженная 4. Зона ЧЭС 4 8 5.ЗЭБ >8 Для прогноза состояния атмосферы промышленного города рассчитанные по формуле (4.20) значения критерия качества атмосферы могут быть поправлены на различные метеорологические ситуации в ней. Поэтому возникает необходимость в определении вероятностей этих ситуаций, а критерий качества атмосферного воздуха для разных ситуаций определяется по формуле:

Катм = Вв ⋅ Кв + Вш ⋅ Кш + Вос ⋅ Кос,

(4.21)

где Вв , Вш , Вос -вероятности установления в атмосфере разных погодных условий с, соответственно, ветром, штилем и осадками; К в , К ш , К ос -критерии качества атмосферы, рассчитанные соответственно для погодных условий: ветра, штиля и осадков. 4.3 Форма отчета о выполненной работе Содержание отчета включает в себя исходное задание, формулы и результаты расчетов. Результаты включают в себя: 1) граничные условия и таблицу с исходными данными для определения критерия качества атмосферы (таблица 4.2); Таблица 4.2 –Исходные данные для определения критерия качества атмосферы. Радиус Время Скорость Категория промышленной воздействия на диффузии (vд), опасности площадки (R), м атмосферу м/с территории, м3/с территории (t), ч 2) расчет категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого территориально-производственного комплекса при конвективной диффузии (таблица 4.3);

Таблица 4.3- Значения категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого территориальнопроизводственного комплекса. Механизм рассеивания примеси– конвективная диффузия (скорость изменяется от 1 до 10 м/с). Скорость, КОТ, Величина Расстояние, Характеристика 3 м/с. м /с критерия км территории качества атмосферы 1 10 3) расчёт расстояния, на которое распространяются примеси от исследуемого источника выбросов в условиях ветреной погоды; 4) график зависимости критерия качества атмосферы от скорости ветра при рассеивании примеси по механизму конвективной диффузии; 5) определение критической скорости ветра; 6) выводы; 7) граничные условия и расчет категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого территориальнопроизводственного комплекса при температурной стратификации воздушных потоков (таблица 4.4); Таблица 4.4-Значения категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого территориальнопроизводственного комплекса. Погодная ситуация – температурная стратификация воздушных потоков Скорость, КОТ, Величина Расстояние, Характеристика 3 м/с. м /с критерия км территории качества атмосферы 0 0,3 0,5 0,7 0,8 1,0 8) расчёт расстояния, на которое распространяются примеси от исследуемого источника выбросов в условиях температурной стратификации воздушных потоков; 9) график зависимости критерия качества атмосферы от продолжительности температурных стратификации воздушных потоков; 10) определение критической скорости движения воздушных потоков;

11) выводы; 12) расчет категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого территориально-производственного комплекса при инверсионном движении воздушных потоков (таблица 4.5); Таблица 4.5-Значения категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого территориальнопроизводственного комплекса. Погодное условие – инверсии воздушных потоков. Продолжитель КОТ, Величина Расстояние, Характеристик 3 ность м /с критерия км а территории инверсий, час. качества атмосферы 0 0,5 1 3 6 13) расчёт радиуса облака загрязняющих веществ, создаваемого исследуемым ТПК для случая инверсий воздушных потоков; 14) график зависимости критерия качества атмосферы от продолжительности инверсий воздушных потоков; 15) определение критического времени установления равновесия в системе; 16) выводы; 17) расчет категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого территориально-производственного комплекса при выпадении осадков (таблица 4.6); Таблица 4.6 – Зависимость категории опасности территории и критерия качества атмосферы от интенсивности осадков для случая конвективной диффузии I, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 мм/ч КОТ, м3/с Катм 18) график зависимости категории опасности территории и критерия качества атмосферы от интенсивности осадков для случая конвективной диффузии; 19) определение критического значения интенсивности осадков; 20) выводы; 21) расчёт среднегодового значения критерия качества атмосферы; 22) выводы.

4.4 Контрольные вопросы 1) Дать определение категории опасности территории. 2) Дать определение критерия качества атмосферы. 3) Основные элементы системы ''атмосфера – производство человек''. 4) Основные пути изменения емкости приземного слоя атмосферы территории. 5) Прогноз и картирование территории города по экологическому благополучию городской среды. 6) Расчёт критерия качества атмосферы для случая конвективной диффузии. 7) Расчёт критерия качества атмосферы для случая молекулярной диффузии. 8) Расчёт критерия качества атмосферы для случая выпадения осадков. 4.5 Пример расчёта: 1) расчёт критерия качества атмосферы проведен исходя из следующих граничных условий: а) вещество равномерно распределяется в приземном слое воздуха. Высота этого слоя зависит от степени вертикальной устойчивости атмосферы и при неблагоприятных метеоусловиях (НМУ) равна 100 м; б) объем воздушной среды, а, значит, и территория загрязнения определяется механизмами рассеивания примеси в атмосфере: –при наличии ветра скорость рассеивания может изменяться в широких пределах ( vв =1,0–10 м/с) и должна уточняться по метеорологическим данным, время протекания процесса составляет 3 часа. Расчёт категории опасности территории вели с учётом исходных величин, характерных для исследуемого ТПК (таблица 4.7). В данном случае категория опасности территории зависит от скорости ветра, а в атмосфере формируется факел трапециевидной формы; Таблица 4.7 –Исходные данные для определения критерия качества атмосферы Радиус Время Скорость Категория промышленной воздействия на диффузии (vд), опасности площадки (R), м атмосферу м/с территории, м3/с территории (t), ч 3 3,0 0,01 0,5⋅10 1,1⋅107 2) все значения КОТ для конвективной диффузии рассчитаны по формуле 4.17 по четырём приоритетным загрязняющим веществам:

диоксиду азота, диоксиду серы, оксиду углерода и пыли и представлены в таблице 4.8. Расчёт категории опасности территории для конвективной диффузии при скорости ветра, равной 1,0 м/с проводится следующим образом 2

4

4

4 1,3

КОТ = ([0,5·3,14·500 +(2·500+0,01·1,1·10 )·1,0·1,1·10 ]·100/1,1·10 ) +([0,5·3,

14·5002+(2·500+0,01·1,1·104)·1,0·1,1·104]·100/1,1·104)1,0+([0,5·3,14·5002+(2·50 0+0,01·1,1·104)·1,0·1,1·104]·100/1,1·104)0,9+([0,5·3,14·5002+(2·500+0,01·1,1·10 4 )·1,0·1,1· ·104]·100/1,1·104)1,0 =3,3·106м3/с Таблица 4.8 Значения категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого ТПК. Механизм рассеивания примеси–конвективная диффузия. Величина Скорость, КОТ, Расстояние, Характеристика 3 критерия м/с. м /с км территории качества атмосферы Критическая зона 1 3,3 11,0 3,3⋅106 6 1,7 22,0 2 8,5⋅10 7 0,9 33,0 3 1,2⋅10 7 4 0,7 44,0 1,9⋅10 7 0,6 55,0 5 2,6⋅10 7 0,5 66,0 6 3,4⋅10 Напряженная 7 0,44 77,0 7 зона 4,2⋅10 7 0,4 88,0 8 5,0⋅10 0,37 99,0 9 5,9⋅107 10 0,35 110,0 6,8⋅107 Критерий качества атмосферы рассчитывается по формуле 4.20. Так, при скорости ветра, равной 1,0 м/с критерий качества атмосферы соответствует 3,3. Следовательно, в ветреную погоду на исследуемой территории создаётся ситуация критических нагрузок 7 6 ( К атм = 1,1 ⋅ 10 3,3 ⋅ 10 = 3,3 ), то есть приемлемая для населённого пункта (таблица 4.1); 3.) при рассеивании примеси в ветреную погоду расстояние, на которое распространяются примеси от исследуемого источника выбросов, рассчитывается по формуле

Lк.д. = vв ⋅ t , где vв -скорость ветра, м/с; t - время воздействия на атмосферу территории, с.

(4.22)

При скорости ветра, равной 1 м/с расстояние, на которое распространяются примеси от исследуемого источника выбросов составит L к .д . = 1 м

с

⋅ 1,1 ⋅ 10 4 с = 11000 м

То есть, при скорости ветра, равной 1 м/с зона критических нагрузок распространится на расстояние до 11,0 км от исследуемого источника загрязнения атмосферы (таблица 4.8); 4) КАТМ 4

3 2 1 0 0

2

4

6

8

10 V,м/с

Рисунок 4.1 –Зависимость критерия качества атмосферы от скорости ветра при рассеивании примеси по механизму конвективной диффузии. 5) для исследуемого процесса рассеивания примеси существует критическая скорость ветра, которая составляет 2,2 м/с (рисунок 4.1). Процесс, происходящий по механизму конвективной диффузии при скорости ветра, меньше 2,2 м/с, недостаточен для рассеивания примеси в атмосфере территории, прилегающей к источнику выбросов, а при скорости ветра, большей 2,2 м/с, наоборот, рассеивание примеси превалирует на всей урбанизированной территории; 6) значения критерия качества атмосферы при конвективной диффузии (таблица 4.8), показывают, что условно чистая атмосфера вообще не может формироваться на исследуемом ТПК. Критические нагрузки возникают лишь при скорости ветра от 1,0 до 2,0 м/с. В условиях направленного воздушного потока при скорости ветра, большей 2,0 м/с на исследуемой территории формируется напряжённая ситуация; 7) рассчитаем критерии качества атмосферы для исследуемого ТПК при рассеивании примеси в условиях температурных стратификаций. Оценки проводятся исходя из следующих граничных условий: а) вещество равномерно распределяется в приземном слое воздуха. Высота этого слоя зависит от степени вертикальной устойчивости атмосферы и при неблагоприятных метеоусловиях (НМУ) равна 100 м;

б) объем воздушной среды, а, значит, и территория загрязнения определяется механизмами рассеивания примеси в атмосфере: –в условиях температурной стратификации воздушных потоков скорость рассеивания примеси может изменяться в пределах 0 - 1,0 м/с, время протекания процесса принимаем, равным от 3 до 6 часов. Расчёт категории опасности территории ведётся с учётом исходных величин, характерных для исследуемого ТПК (таблица 4.7). В данном случае категория опасности территории зависит от скорости термодиффузии, а в атмосфере формируется факел сфероидной формы. Расчёт категории опасности территории для температурной стратификации при скорости движения воздушных потоков, равной 0,3 м/с проводится по формуле 4.18 и представлен в таблице 4.9. Нулевую точку определяли для случая инверсионного движения воздушных потоков продолжительностью 1,0 час. 4 2

4 1,3

4 2

КОТ = [(3,14⋅(500+0,3⋅1,1⋅10 ) ⋅100)/1,1⋅10 ] +(3,14⋅(500+0,3⋅1,1⋅10 ) ⋅

100)/1,1⋅104]1,0+(3,14⋅(500+0,3⋅1,1⋅104)2⋅100)/1,1⋅104]1,0+(3,14⋅(500+0,3⋅1,1⋅104 )2⋅100)/1,1⋅104]0,9=9,4⋅105 м3/с Таблица 4.9 - Значения категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого ТПК. Погодная ситуация – температурная стратификация воздушных потоков Скорость, КОТ, Величина Расстояние, Характеристика 3 м/с. м /с критерия км территории качества атмосферы 0 0,3 0,5 0,7 0,8 1,0

5,2⋅105 9,4⋅105 1,4⋅106 2,5⋅106 2,8⋅106 3,3⋅106

21,2 11,7 7,9 4,6 4,0 3,3

0,5 3,8 6,0 8,2 9,3 16,0

Зона ЗЭБ Зона ЧЭС Критическая зона

Критерий качества атмосферы рассчитывается по формуле 4.20. При скорости движения воздушных потоков, равной 0,3 м/с критерий качества атмосферы соответствует 11,7. Следовательно, при температурных стратификациях воздушных потоков на исследуемой территории создаётся ситуация с экологическим бедствием ( К атм = 1,1 ⋅ 107 9,4 ⋅ 105 = 11,7 , таблица 4.1); 8) при рассеивании примеси в условиях температурной стратификации воздушных потоков расстояние, на которое распространяются примеси от исследуемого источника выбросов, рассчитывается по формуле и представлен в таблице 4.9.

R1 = R0 + vдиф ⋅ t ,

(4.23)

где R0 -радиус промышленной площадки, м; vдиф - скорость воздушных потоков. Так, при скорости движения воздушных потоков, равной 0,3 м/с радиус облака загрязняющих веществ, создаваемый исследуемым источником выбросов, составит R 1 = 500 м + 0 , 3 м с ⋅ 1,1 ⋅ 10 4 с = 3800 м ;

9) для процесса рассеивания примесей существует критическая скорость движения воздушных потоков, она составит 0,45 м/с. При скорости движения воздушных потоков, меньшей 0,45 м/с, в процессе рассеивания примеси в случае температурной стратификации в атмосфере преобладает накопление примеси, а при скорости движения воздушных слоёв от 0,45 до 1,0 м/с, наоборот, превалирует рассеивание примеси (рисунок 4.2); 10) значения критерия качества атмосферы при температурных стратификациях (таблица 4.9) показывают, что на исследуемом ТПК при скорости движения воздушных потоков от 0 до 0,3 м/с возникает ситуация с экологическим бедствием, при скорости движения воздушных слоёв от 0,3 до 0,8 м/с на исследуемой территории образуется чрезвычайная экологическая ситуация. А при скорости движения воздуха от 0,8 до 1,0 м/с качество атмосферы улучшается до критически нагруженной; 11) для наиболее неблагоприятных погодных условий, характеризующихся застоем в атмосфере города, категория опасности территории рассчитывается по формуле 4.18. В этом случае категория опасности территории определяется продолжительностью инверсионного движения воздушных потоков. Оценки проведены исходя из следующих граничных условий: а) вещество равномерно распределяется в приземном слое воздуха. Высота этого слоя зависит от степени вертикальной устойчивости атмосферы и при неблагоприятных метеоусловиях (НМУ) равна 100 м; б) объем воздушной среды, а, значит, и территория загрязнения определяется механизмами рассеивания примеси в атмосфере: –при инверсионном движении воздушных потоков скорость рассеивания примеси минимальна и равна 0,01 м/с ( vдиф = 0,01 м/с), продолжительность инверсионного движения воздушных слоёв колеблется от 0,5 до 6 часов. Расчёт категории опасности территории вели с учётом исходных величин, характерных для исследуемого ТПК (таблица 4.7). В данном

случае категория опасности территории зависит от продолжительности инверсий, а в атмосфере формируется факел сфероидной формы. Расчёт категории опасности территории при продолжительности инверсионного движения воздушных потоков, равной 0,5 часа (1,8⋅103 с.) проводится по формуле 4.18 (таблица 4.10). 3 2

3 1,3

КОТ = [(3,14⋅(500+0,01⋅1,8⋅10 ) ⋅100)/1,8⋅10 ] +(3,14⋅(500+0,01⋅1,8⋅10

3

)2⋅100)/1,8⋅103]1,0+(3,14⋅(500+0,01⋅1,8⋅103)2⋅100)/1,8⋅103]1,0+(3,14⋅(500+0,01⋅1, 8⋅103)2⋅100)/1,8⋅103]0,9=9,2⋅105 м3/с Нулевая точка соответствует значению критерия качества атмосферы при рассевании примеси по механизму конвективной диффузии для скорости ветра, равной 1,0 м/с. Таблица 4.10-Значения категории опасности территории и критерия качества атмосферы для исследуемого ТПК. Погодное условие – инверсии воздушных потоков. ПродолжительКОТ, Величина Расстояние, Характеристика 3 ность м /с критерия км территории инверсий, час. качества атмосферы 0 0,5 1 3 6

3,3⋅106 9,2⋅105 5,2⋅105 1,9⋅105 1,6⋅105

3,3 11,9 21,2 55,1 68,8

0,5 0,52 0,54 0,61 0,72

Напряженная Зона экологического бедствия

При продолжительности инверсионного движения воздушных слоёв, равной 0,5 часа, критерий качества атмосферы соответствует 11,9, следовательно, на исследуемой территории создаётся ситуация с экологическим бедствием ( К атм = 1,1 ⋅ 107 9,2 ⋅ 105 = 11,9 , таблица 4.1); 12) при рассеивании примеси в условиях инверсий воздушных потоков расстояние, на которое распространяются примеси от исследуемого источника выбросов, рассчитывается по формуле 4.23 и представлено в таблице 4.10. Так, при инверсиях воздушных потоков, продолжительностью 0,5 часа, радиус облака загрязняющих веществ, создаваемый исследуемым источником выбросов, составит

R1 = 500 м + 0 ,01 м с ⋅ 1,1 ⋅ 10 4 с = 520 м ;

13) КАТМ 70 60 50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7 t

Рисунок 4.3 – Зависимость критерия качества атмосферы от продолжительности инверсий воздушных потоков. 14) при рассеивании примеси по инверсионному механизму критическое время установления равновесия в системе составляет 1,0 час. То есть, при инверсиях в воздухе, продолжительностью от 0 до 1,0 часа, рассеивание примеси должно преобладать над накоплением (рисунок 4.3). Однако рассеивание примеси в атмосфере не происходит, можно говорить лишь о её накоплении; 15) из результатов расчета следует, что в условиях инверсионного движения воздушных потоков продолжительностью от 0 до 6,0 часов качество атмосферы урбанизированной территории ухудшается от напряженного до экологического бедствия; 16) критерий качества атмосферы рассчитывается для случая выпадения осадков в виде дождя и снега с интенсивностью от 1 до 8 мм/час. Время выпадения осадков принято равным 20 минутам и более, то есть система должна прийти в состояние равновесия. Категория опасности территории при выпадении осадков определяется по формуле 4.19. Она является произведением объемной скорости вымывания примеси в соответствующей степени на изменение суммарного индекса загрязнения атмосферы. Оба множителя являются функциями интенсивности осадков. Так как, в нашем случае приоритетным загрязняющим веществом является диоксид азота, следовательно, категорию опасности территории будем рассчитывать только по нему. Для этого преобразуем формулу (4.19) в α

  π ⋅ R Г2 ⋅ h в КОТ =  ИЗА ( NO 2 ) ⋅ (I ⋅ η ( NO 2 )) ,   t кр  

(4.24)

где η , tкр эмпирические коэффициенты, зависящие от интенсивности осадков и определяемые по графическим данным. ( η = 0,008, tкр = 15 ). Среднее значение индекса загрязнения атмосферы данной территории составляет 5,31 (приложение В, таблица В 1). Так, при интенсивности осадков, равной 1 мм/ч категория опасности территории будет равна 1,3

 3,14 ⋅ 5002 ⋅100  КОТ =  ⋅ 5,31 ⋅ (1⋅ 0,008) = 3,8 ⋅107 , 15   Категория опасности территории при интенсивности осадков, равной 0, (нулевая точка) определяется в зависимости от трёх случаев: во-первых, по граничному значению рассеивания примесей для конвективной диффузии, когда система находится в состоянии равновесия (в соответствии с рисунком 4.1), во-вторых, по граничному значению рассеивания примесей при температурных стратификациях атмосферы (в соответствии с рисунком 4.2) и в-третьих, по граничному значению рассеивания примесей при инверсионном движении воздушных потоков (в соответствии с рисунком 4.3). В данном случае, нулевую точку определяли только по граничному значению рассеивания примесей для конвективной диффузии ( vв = 1,0 м с , рисунок 4.1), так как для исследуемого ТПК характерны именно такие погодные условия. Полученная при различных значениях интенсивности осадков категория опасности территории представлена в таблице 4.11. Таблица 4.11 – Зависимость категории опасности территории и критерия качества атмосферы от интенсивности осадков I, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 мм/ч КОТ, 3,3·106 3,8·107 7,6·107 1,1·108 1,5·108 1,9·108 2,3·108 2,7·108 3,0·108 3 м /с Катм 3,3 0,3 0,15 0,1 0,07 0,06 0,05 0,04 0,037 Критерия качества атмосферы при различной интенсивности осадков рассчитывается по формуле 4.20. Для этого категорию опасности исследуемого площадного источника разделим на полученную категорию опасности территории и представим в таблице 4.11; 17) далее для нахождения критического значения интенсивности осадков необходимо построить график в координатах К атм − I , поэтому значения критериев представим графически (рисунок 4.4).

КАТМ 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

2

4

6

8

I

Рисунок 4.4 –Зависимость критерия качества атмосферы от интенсивности осадков для исследуемой территории.

18) при изменении интенсивности осадков от 0 до 8 мм/час, критерий качества атмосферы снижается от 3,3 до 0,037. Из рисунка 4.4 следует, что критическое значение интенсивности осадков соответствует 0,25 мм/ч. Т.е. уже при интенсивности осадков 0,25 - 8 мм/ч и более критерий качества атмосферы не зависит от интенсивности выпадения осадков, и в атмосфере преобладают процессы вымывания примесей; 19) из результатов расчета следует, что при условии выпадения осадков интенсивностью от 0 до 1 мм/час качество атмосферы улучшается от критически нагруженного до напряженного, а от 1 до 8 мм/ч соответствует условно чистой и в атмосфере преобладают процессы вымывания. Таким образом, несмотря на то, что вероятность выпадения осадков в атмосфере исследуемого ТПК незначительная (2,1 %), они могут оказывать существенное влияние на качество атмосферы урбанизированной территории; 20) для оценки реального состояния атмосферы исследуемого территориально-промышленного комплекса, средние значения критерия качества атмосферы требуется поправить на вероятность различных метеорологических ситуаций в ней. При этом определяются приоритеты, отвечающие за рассеивание или вымывание примесей в среде. По данным Гидрометеоцентра для исследуемого ТПК характерны погодные условия с высокой ветровой активностью (вероятность более 87,6 %), повторяемость штиля составляет 10,3 %, причём из них 9,3 % приходится на температурную стратификацию атмосферы ( vдиф = 0,1 − 1,0 м с ) и всего лишь 1,0 % - на инверсионное движение воздушных потоков ( vдиф ≤ 0,1 м с ). Годовая повторяемость осадков составляет 2,1 % (приложение В, таблица В 2). То есть метеоусловия на исследуемой территории должны способствовать хорошему рассеиванию примесей, выбрасываемых промышленными предприятиями. Но из-за малого количества выпадаемых

осадков атмосфера данной территории имеет низкую способность к самоочищению. Критерии качества атмосферы, рассчитанные соответственно для разных погодных условий (ветра, инверсий, температурных стратификаций и осадков К в , К инв. , К т.ст. и К ос ) приведены в таблицах 4.84.11. Среднегодовое значение критерия качества атмосферы рассчитывается по граничным условиям, представленным в приложении В, следующим образом К атм = (3,3+1,5+0,9)·0,334+(0,7+0,6)·0,284+(0,5+0,44)·0,156+(0,4+0,37)·0,075

+ +0,35·0,027+7,9·0,093+68,8·0,01+0,3·0,021 =4,0; 21) таким образом, в усреднённых метеоусловиях исследуемый территориально-промышленный комплекс относится к зоне чрезвычайной экологической ситуации ( К атм =4,0), то есть не может считаться приемлемым для населённого пункта.

Список использованных источников

1. Безуглая Э.Ю. Чем дышит промышленный город. – Л: Гидрометеоиздат, 1986. – 258 с. 2. Безуглая Э.Ю.. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. – Л: Гидрометеоиздат, 1986. – 200 с. 3. Доклад о состоянии окружающей природной среды Оренбургской области в 1995 году. Оренбургский областной комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов. Оренбург, 1996 -128 с. 4. Рекомендации по делению промышленных предприятий по категории опасности вещества. Руководство по контролю загрязнения атмосферы (РД 52.04. 186-89). Москва, 1991. -683 с. 6. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России /Под ред. Протасова В.Ф.–М.: Финансы и статистика, 1995.–528 с.: ил. 7. Зайцев В.А. Промышленная экология: Учебное пособие / «ДеЛи». – М., 1999.- 140 с. 8. Цыцура А.А., Боев В.М., Куксанов В.Ф., Старокожева Е.А. Комплексная оценка качества атмосферы промышленных городов Оренбургской области. - Оренбург, Изд-во ОГУ, 1999. – 168 с., ил 9. Обеспыливание автомобильных дорог и аэродромов. – М.: Транспорт, 1973. – 148с. 10. Балтренас П.Б. Обеспыливание воздуха на предприятиях стройматериалов, - М.: Стройиздат, 1990.- 145 с. 11. Штокман Е.А. Очистка воздуха от пыли на предприятиях пищевой промышленности, -М.: Агропромиздат, 1989. –184 с. 12. Журавлев А.П., Цыцура А.А., Буянов А.Д., Комплексное обеспыливание промышленных предприятий,-1994. -157 с. 13. Козлов Ю.С., Меньшова В.П., Святкин И.А. Экологическая безопасность автомобильного транспорта: Учебное пособие / «Агар».- М., 2000.-210 с.

Приложение А (обязательное) Таблица А1- Варианты заданий для расчета категории опасности предприятий № вариВещества Масса Предприятие анта выбросов, т/год Диоксид азота 3956,3 1 Диоксид серы 2075,0 Оксид углерода 7751,07 Предприятие 1 Пыль летучая (зола) 0,19 Пыль известковая 0,88 Оксид марганца 0,0015 Диоксид азота 3039,0 2 Оксид азота 494,0 Оксид марганца 0,005 Предприятие 2 Диоксид серы 405,0 Оксид углерода 1503,0 Мазутная зола (на ванадий) 0,763 Диоксид азота 566,2 3 Диоксид серы 20642,1 Оксид углерода 33427,4 Предприятие 3 Сероводород 173,1 Углеводороды (по метану) 841,1 Пыль серы 100,1 Диоксид азота 1118,1 4 Диоксид серы 1744,07 Оксид углерода 1002,1 Предприятие 4 Сероводород 7,3 Метанол 102,1 Сажа 85,3 Диоксид азота 928,1 5 Сероводород 0,003 Оксид углерода 364,2 Предприятие 5 Углеводороды 831,2 Пыль металлическая 0,156 Оксид углерода 4002,4 6 Диоксид азота 213,5 Диоксид серы 11,7 Оксид углерода 800,2 Предприятие 6 Углеводороды 1238,3 Пыль (сод. Si2O3 > 70%) 0,3 Сероводород 0,02

Продолжение таблицы А1 № вариВещества анта 7

8

9

10

11

12

Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Мазутная зола Углеводороды Фтористый водород Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Сероводород Углеводороды Сажа Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Мазутная зола Углеводороды Сажа Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Пыль (сод. Si2O3 > 70 %) Формальдегид Оксид марганца Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Пыль (Si2O3 от 20 до 70 %) Пыль древесная Углеводороды Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Углеводороды Пыль Толуол

Масса выбросов, т/год 186,0 2,7 551,7 0,3 0,01 0,003 10,1 259,3 82,1 0,3 6,7 1,7 57,7 11,6 58,6 0,04 21,7 0,9 31,1 0,5 97,9 122,6 0,21 0,02 21,8 0,8 65,2 44,2 4,7 2,0 127,8 16,51 626,8 310,2 1,03 1,5

Предприятие

Предприятие 7

Предприятие 8

Предприятие 9

Предприятие 10

Предприятие 11

Предприятие 12

Продолжение таблицы А1 № вариВещества анта 13

14

15

16

17

18

19

Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Сероводород Пыль каменноугольная Пыль коксовая Диоксид азота Диоксид серы Сероводород Оксид углерода Пыль Оксид хрома Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Пыль Серная кислота Углеводороды (по метану) Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Углеводороды (по метану) Пыль неорганическая Сероводород Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Углеводороды (по метану) Пыль формовочная Оксид железа Диоксид азота Диоксид серы Ксилол Бензол Сварочный аэрозоль Аэрозоль краски Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Сероводород

Масса выбросов, т/год 7503,1 10630,1 80038,2 157,1 1166,1 558,3 58,3 547,3 5,4 155,3 235,0 131,1 12,1 0,037 39,47 70,55 16,5 15809,5 247,0 3446,3 617,1 18709,1 71,3 70,1 549,5 873,08 15,3 263,4 392,2 2,5 207,1 47,9 48,13 21,77 5,3 15,1 73,8 27,3 25,1 0,3

Предприятие

Предприятие 13

Предприятие 14

Предприятие 15

Предприятие 16

Предприятие 17

Предприятие 18

Предприятие 19

Продолжение таблицы А1 № вариВещества анта

20

Зола Оксид ванадия Диоксид азота Диоксид серы Оксид углерода Углеводороды Сварочный аэрозоль Пыль неорганическая

Масса выбросов, т/год 55,1 0,009 5,8 6,9 123,3 7,3 21,5 1678,4

Предприятие

Предприятие 20

Приложение Б (обязательное) Таблица Б1- Варианты заданий для расчета категории опасности улицы Название улицы Интенсивность движения по сезонам, авт./час зима весна лето осень 1 2 3 4 5 6 Легковые 500 600 700 750 Грузовые 350 450 500 400 Улица 1 Автобусы 150 150 100 250 Всего 1000 1200 1300 1400 Улица 2 Легковые 550 550 750 800 Грузовые 370 400 320 340 Автобусы 250 330 300 310 Всего 1120 1280 1370 1450 Улица 3 Легковые 900 780 820 1000 Грузовые 200 360 410 390 Автобусы 150 200 230 190 Всего 1250 1340 1460 1580 Улица 4 Легковые 930 1030 840 1010 Грузовые 330 320 390 410 Автобусы 150 190 230 160 Всего 1410 1540 1460 1580 Улица 5 Легковые 1200 1330 1450 1370 Грузовые 370 370 390 330 Автобусы 130 200 160 100 Всего 1700 1900 2000 1800

Длина улицы, м 7 2000

2500

3000

3500

4000

Продолжение таблицы Б1. 1 Улица 6

Улица 7

Улица 8

Улица 9

Улица 10

Улица 11

2 Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего

3 830 100 70 1000 945 130 105 1180 1110 90 10 1210 1080 170 30 1280 1020 200 80 1300 700 130 10 840

4 860 110 80 1050 915 145 90 1150 1050 120 80 1250 1210 130 40 1380 1050 110 90 1350 720 140 20 880

5 910 115 75 1100 970 120 110 1200 1150 140 60 1350 1280 100 20 1400 1100 300 100 1500 800 160 40 1000

6 940 120 90 1150 905 115 60 1080 1010 180 20 1210 990 220 20 1230 980 160 90 1250 780 105 15 900

7 4500

5000

5500

6000

6500

7000

Продолжение таблицы Б1. 1 Улица 12

Улица 13

Улица 14

Улица 15

Улица 16

Улица 17

2 Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего

3 705 150 35 890 785 90 45 920 950 100 50 1100 925 110 55 1090 13 7 2 22 16 7 5 28

4 810 190 50 1050 815 200 65 1080 960 105 65 1130 955 125 60 1140 15 6 4 25 20 9 6 35

5 840 165 55 1060 860 190 70 1120 1000 135 85 1220 1105 130 65 1300 18 5 5 28 22 11 5 38

6 690 240 50 980 905 110 55 1070 910 80 20 1010 965 175 60 1200 14 9 3 26 15 7 4 36

7 7500

8000

8500

9000

9500

10000

Продолжение таблицы Б1. 1 Улица 18

Улица 19

Улица 20

2 Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего Легковые Грузовые Автобусы Всего

3 17 9 6 32 30 9 3 42 37 13 5 55

4 31 8 6 45 36 15 4 55 40 15 6 61

5 35 10 3 48 39 16 3 58 42 18 4 64

6 32 10 4 46 33 18 4 56 38 17 5 60

7 10500

11000

11500

Приложение В (обязательное) Таблица В1- Варианты значений ИЗА для расчета критерия качества атмосферы в случае выпадения осадков Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ИЗА 2,3 2,5 2,9 3,3 3,7 4,2 4,6 5,3 5,9 6,1

Вариант 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

ИЗА 6,7 6,9 7,1 7,4 7,7 7,9 8,0 1,4 1,7 1,9

Таблица В 2 - Годовая повторяемость погодных условий за 1998 год на территории исследуемого ТПК Погодн ые условия

Повторя -емость, %

штиль темпер. инверсии, стратифик., vдиф ≤ 0,1 м с

1,0

vдиф = 0,1 − 1,0 м с

9,3

1-3 м/с

4-5 м/с

6-7 м/с

8-9 м/с

10-11 м/с

осадки , мм

33,4

28,4

15,6

7,5

2,7

2,1